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Jul 17, 2023

Extraction d'énergie piézoélectrique d'un cylindre soumis à un vortex

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 6924 (2023) Citer cet article 933 Accès aux détails des métriques Un nouveau concept d'utilisation de l'énergie cinétique des courants océaniques/du vent au moyen de

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6924 (2023) Citer cet article

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Un nouveau concept d'utilisation de l'énergie cinétique des courants océaniques et du vent au moyen d'une résonance interne est proposé pour répondre à la demande énergétique mondiale croissante en générant une énergie propre et durable. Dans ce travail, un pendule gravitationnel rotatif non linéaire est utilisé pour exciter de manière autoparamétrique le cylindre monté élastiquement pour une large gamme de vitesses d’écoulement. Ce concept est adopté pour augmenter l'amplitude d'oscillation du cylindre en raison des vibrations induites par vortex (VIV) dans la région désynchronisée pour la récupération d'énergie. À cet égard, un dispositif de récupération d'énergie basé sur VIV est proposé, constitué d'un cylindre avec un pendule attaché, et l'énergie est récupérée avec des transducteurs piézoélectriques montés en bas. Le cylindre subit une VIV lorsqu'il est soumis à un écoulement de fluide, ce qui excite de manière autoparamétrique le système couplé fluide-cylindre-pendule multicorps. Dans la région désynchronisée, lorsque la fréquence de déversement du vortex devient deux fois supérieure à la fréquence naturelle du pendule, une résonance interne se produit. Cela permet d'obtenir une amplitude d'oscillation plus élevée du cylindre, ce qui ne se produirait pas autrement. Cette étude se concentre sur le système cylindre-pendule à deux degrés de liberté (2-DoF) dans lequel le cylindre est libre de présenter des vibrations induites par des vortex à écoulement transversal soumis au fluide. L'objectif de ce travail est d'étudier numériquement l'effet d'un pendule gravitationnel rotatif non linéaire (NRGP) sur les caractéristiques VIV et l'efficacité piézoélectrique du système. Le modèle numérique est basé sur le modèle d'oscillateur de sillage couplé à l'équation constitutive piézoélectrique. L'influence du rapport de fréquence, du rapport de masse, du rapport d'amortissement de torsion et du rapport entre le diamètre du cylindre et la longueur du pendule du dispositif NRGP sur les caractéristiques de réponse dues au VIV est également étudiée. Une analyse comparative détaillée en termes de tension électrique et d'efficacité est réalisée numériquement pour des écoulements avec une large gamme de vitesses réduites pour le cylindre avec et sans NRGP. Une étude complète sur les implications de la résonance interne entre le pendule et un cylindre soumis à une VIV sur la tension électrique générée est également rapportée.

Les vibrations induites par les vortex (VIV) sont l'un des phénomènes hydrodynamiques les plus courants avec des implications pratiques pouvant être observées lorsque les structures sont soumises à un écoulement de fluide. VIV a été étudié en détail par un certain nombre de chercheurs tels que Roshko1, Griffin et Ramberg2, Bearman3 ; dans des articles de synthèse de Williamson et Govardhan4, Sarpkaya5 et dans des livres de Belvins6, Sumer et Fredsøe7. Au cours des dernières décennies, de nombreux chercheurs se sont concentrés sur différentes méthodes permettant d’exploiter l’énergie hydrocinétique en utilisant le mouvement des structures induit par le vortex et de la convertir en énergie électrique8,9. Le VIV des composants structurels peut être converti en énergie électrique à l’aide de générateurs électrostatiques10, électromagnétiques11 et piézoélectriques12 qui peuvent être utilisés pour alimenter des systèmes micro-électromécaniques ou pour charger des batteries dans des endroits éloignés. Ces sources de production d’énergie à petite échelle sont utiles pour alimenter les équipements électroniques et les appareils auto-alimentés à proximité13. Il convient de noter que, dans un problème VIV réel, les systèmes électromécaniques sont soumis aux effets du bruit ambiant, c'est-à-dire aux fluctuations du débit entrant ou aux imperfections géométriques du système et peuvent influencer de manière significative le comportement dynamique. Par conséquent, pour une récupération efficace de l’énergie, les effets de différents bruits stochastiques sont également étudiés par divers chercheurs14,15.

Ces dernières années, de nombreuses contributions ont été consacrées aux moyens efficaces d'extraire l'énergie du VIV à l'aide de transducteurs piézoélectriques. Ces transducteurs ont une capacité unique à convertir l'énergie de déformation en énergie électrique. Le moyen le plus courant et le plus simple d’extraire de l’énergie consiste à attacher le matériau piézoélectrique à la structure flexible/élastique. Truitt16 a conçu un récupérateur d'énergie éolienne, en fixant un matériau piézoélectrique en fluorure de polyvinylidène (PVDF) sur une membrane en forme de drapeau, et a obtenu une puissance maximale de 1,5 mW. Song et al.17 ont proposé un nouveau concept de récupération d'énergie utilisant le VIV et les vibrations induites par le sillage (WIV) de deux cylindres tandem reliés par des membranes piézoélectriques comme porte-à-faux et ont enregistré une puissance de sortie maximale de 21 \(\mu\)W. Wang et Ko18 ont récupéré l'énergie d'un film piézoélectrique fixé sur le canal d'écoulement du fluide. Des recherches numériques ont été menées par Mehmood et al.19 en utilisant des équations de régulation électromécaniques qui couplent l'oscillation d'un cylindre monté élastiquement et fixé avec un matériau piézoélectrique. Ils ont observé qu’il existe un impact significatif sur la largeur et l’amplitude de synchronisation en raison de la résistance de charge. Franzini et Bunzel20 ont réalisé des recherches numériques sur la puissance délivrée par des cylindres montés sur des récolteuses piézoélectriques soumises au VIV. Dans leur étude, deux configurations différentes concernant le VIV unidirectionnel (flux croisé) et bidirectionnel (flux croisé et en ligne) ont été étudiées. Dans les deux configurations, la puissance de sortie et l'efficacité étaient plus élevées lorsque la fréquence de dégagement des vortex était proche de la fréquence structurelle, c'est-à-dire dans la région de verrouillage. Une puissance de sortie maximale de 2,6 mW et 11 mW pour le VIV unidirectionnel et bidirectionnel a été signalée, respectivement. Des investigations expérimentales ont été menées par Arionfard et Nishi21 pour un cylindre pivoté soumis à une VIV pour un nombre de Reynolds (Re) allant de 2 880 à 22 300 et ont rapporté une puissance de sortie maximale de 60 mW. Dans une étude expérimentale ultérieure, Nishi et al.22 ont proposé un moyen efficace d'extraire de l'énergie en plaçant un cylindre secondaire entre le générateur et le cylindre primaire exposé au VIV, ce qui augmentait la tension électrique jusqu'à 9 V. Dans une étude numérique , Soti et al.23 ont rapporté que la fixation du cylindre à un aimant peut donner une puissance sans dimension maximale récoltée jusqu'à 0,13 à \(Re = 150\). La récupération d'énergie a également été étudiée sur un cylindre circulaire vibrant à flux transversal sur lequel est monté un ressort de masse secondaire formant un système à deux degrés de liberté (2-DoF) dans Lu et al.24. Deux régions de « verrouillage » ont été observées. dans ce système correspondant aux résonances du premier et du deuxième ordre du système. Des analyses théoriques ont été effectuées dans les travaux de Hu et al.25,26 sur un système 2-DoF pour évaluer les capacités de récupération d'énergie du galop ainsi que l'excitation aéroélastique et de base simultanée. Ces études ont été réalisées dans une perspective aéroélastique et avec des rapports de masse élevés. Cependant, les effets induits par l’écoulement deviennent plus difficiles à analyser pour les faibles rapports de masse, généralement observés dans les environnements marins et hydrodynamiques. Une discussion détaillée concernant les développements récents de divers dispositifs de récupération d'énergie piézoélectrique peut être trouvée dans les articles de synthèse d'Elahi et al.27.